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人类历史首张黑洞照片如何诞生?

来源:人民日报    发表时间:2019-04-23

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大量天文观测数据已证实,在浩瀚的宇宙当中,有无数的黑洞神秘地藏身于各星系中。但人类却从未直接“看”到过黑洞,并不知道它的真实模样。为了能一睹黑洞真容,2017年4月5日到14日之间,来自全球30多个研究所的科学家们,他们将分布于全球不同地区的8个射电望远镜阵列组成一个虚拟望远镜网络,希望利用其捕获黑洞影像。最终,科学家们成功拍摄到了黑洞的第一幅“照片”。

北京时间2019年4月10日21时,这张照片在美国华盛顿、中国上海和台北、智利圣地亚哥、比利时布鲁塞尔、丹麦灵比和日本东京六地同时发布。传说中的黑洞终于揭开神秘面纱。

理论上,黑洞是爱因斯坦广义相对论预言存在的一种天体。它具有的超强引力使得光也无法逃脱它的势力范围,该势力范围称作黑洞的半径或称作事件视界。

那么,黑洞是怎么形成的?

像宇宙万物一样,恒星也会衰老死亡。一些大质量恒星在核聚变反应燃料耗尽时,内核会急剧塌缩,所有物质快速的向着一个点坍缩,最终坍缩成一颗黄豆大小的奇点,并形成一个强大的力场漩涡,扭曲周围时空,成为黑洞。

宇宙中,根据质量天文学家们将宇宙中的黑洞分成三类:恒星级质量黑洞(几十倍—上百倍太阳质量)、超大质量黑洞(几百万倍太阳质量以上)和中等质量黑洞(介于两者之间)。

根据理论推算,银河系中应该存在着上千万个恒星量级的黑洞。然而,因为黑洞自身不发射和反射电磁波,仪器和肉眼都无法直接观测到它。

既然无法“看见”黑洞,那么“黑洞”的照片是怎么拍到的呢?

广义相对论预言,虽然黑洞本身不发光,但因为黑洞的存在,周围时空弯曲,气体被吸引下落。气体下落至黑洞的过程中,引力能转化为光和热,因此气体被加热至数十亿度。黑洞就像沉浸在一片类似发光气体的明亮区域内,事件视界看起来就像阴影,阴影周围环绕着一个由吸积或喷流辐射造成的如新月状的光环。爱因斯坦的广义相对论已预测过这个“阴影”的存在,以及它的大小和形状。

对黑洞阴影的成像将能提供黑洞存在的直接“视觉”证据。科学家们选定了来自全球多地的包括南极望远镜等8个亚毫米射电望远镜。把这些望远镜“组合”起来,就能够形成一个口径如地球大小的“虚拟”望远镜,其所达到的灵敏度和分辨本领都是前所未有的。

在组建大型虚拟望远镜的同时,科学家们也在寻找着合适的拍摄目标。科学家们甄选了一圈之后,决定将近邻的两个黑洞作为主要目标:一个是位于人马座方向的银河系中心黑洞Sgr A*,另一个则是位于射电星系M87的中心黑洞M87*。

北京时间2017年4月4日,事件视界望远镜启动拍摄,将视线投向了宇宙。最后的观测结束于美国东部时间4月11日。观测期间,每一个射电望远镜都收集并记录来自于目标黑洞附近的射电波信号,这些数据然后被集成用于获得事件视界的图像。

8个望远镜北至西班牙,南至南极,它们将向选定的目标撒出一条大网,捞回海量数据,为我们勾勒出黑洞的模样。

射电望远镜不能直接“看到”黑洞,但它们将收集大量关于黑洞的数据信息,用数据向科学家们描述出黑洞的样子。

在观测结束之后,各个站点收集的数据将被汇集到两个数据中心(分别位于美国麻省Haystack天文台和德国波恩的马普射电所)。在那里,超级计算机通过回放硬盘记录的数据,在补偿无线电波抵达不同望远镜的时间差后将所有数据集成并进行校准分析,从而产生一个关于黑洞高分辨率影像。

此后,经过长达两年的“冲洗”,2019年4月10日,人类历史上首张黑洞照片终于问世。

编辑:weimin

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